地下水中厌氧氨氧化作用及脱氮机制研究

Nitrate is the main form of nitrogen in groundwater, which is poisonous to human health if an excessive intake occurs. Human activities have an impact on the contents of nitrate and the process of nitrogen circle in groundwater, and consequently, the quality of groundwater. Ammonia and ammonium salts are products of fertilizer industry, and simultaneously, the significant carrier and intermediate products of nitrogen circle. The redox reaction between nitrate and ammonia provides the former with the access to conversion into nitrogen and subsequent elimination from groundwater. Therefore, research on the oxidation of nitrate on ammonia and the mechanism of nitrogen removal holds noticeable significance in comprehension of nitrogen circle and resources recovery of groundwater.. This study takes the groundwater collected from typical areas of Henan as samples, explores the formation and conversion procedure of nitrate by the method of anaerobic oxidation of ammonia and isotopic tracing technology. Our points of interest focus on: the reason for the formation of nitrate in groundwater, the denitrification in which nitrate is converted into nitrogen and the anaerobic oxidation of ammonia. We try to build the conversion model of nitrate in groundwater and the mechanism of nitrogen removal by quantitative research on the aforementioned functions, and obviously, this will provide pollution prevention of nitrate in groundwater with theoretical foundation and show crucial scientific significance and application prospect.

硝酸盐是地下水中氮素存在的主要形式，过量摄入硝酸盐会对人体健康造成损害。人类活动越来越严重地影响到地下水中硝酸盐含量和氮素循环过程，使水质恶化甚至丧失饮用功能。氨是地下水氮素循环过程中重要的中间产物和载体，硝酸盐与氨发生氧化-还原反应，可使地下水中硝酸盐转化为氮气并脱除。因此，研究地下水中硝酸盐对氨的氧化作用及脱氮机制，对于认识氮循环过程和地下水污染防治,具有重要的意义。. 本项目以河南安阳—林州地区的地下水为研究对象，采用厌氧氨氧化方法和同位素示踪技术，研究硝酸盐的形成及转化途径；重点探索地下水中硝酸盐的形成及转化为氮气的反硝化作用和厌氧氨氧化作用；通过厌氧氨氧化作用和反硝化作用的定量研究，建立地下水中硝酸盐的转化模型和脱氮机制，在丰富地下水中氮循环理论的同时为硝酸盐污染的防治提供理论依据，具有重要的科学意义和应用前景。

以安阳林州地区的地下水为研究对象，揭示了地下水中硝酸盐的形成及转化途径，探讨了地下水中硝酸盐的形成及转化为氮气的反硝化作用和厌氧氨氧化作用，得出了几点认识：①西部山区水化学类型为HCO3—Ca•Mg型水，西北部出现了大面积SO4•HCO3和SO4•Cl型水；安阳市区以东变为HCO3•SO4•Cl型水和Cl•HCO3型水。主要离子含量由西向东逐步递增，局部存在工业、生活和采矿污染；②地下水中硝酸盐的来源是化肥，其次为土壤有机质和粪肥；③研究区发生的反硝化作用有两类，一是发生在粪便来源的δ15N和NO3-分布区（氨挥发）；二是发生在氮肥生产与施用或工业污水源的NO3-分布区；④δ13C值证实了研究区有机质主要来源于C3植物，δ13C值与硝酸根的δ15N、δ18O值呈正相关，说明识别硝酸盐来源碳是重要的指标；⑤三氮的迁移转化离不开各种微生物的作用：a、14个样品共检测出38个生物类群，其中AY005多样性最大，检测出各门种类最多。变形菌（Proteobacteria）在各样品中所占比例最大，细菌域中以Vogesella、Acidovorax等具有反硝化性质的种属占优势地位，另外，Acinetobacter属在部分样品中占优势地位，可实现同步硝化反硝化。b、古菌主要属于奇古菌门（Thaumarchaeota）、广古菌门（Euryarchaeota）、泉古菌门（Crenarchaeota）三个类群，奇古菌(Thaumarchaeota)是样品中古菌域的第一大生物类群，奇古菌门的所有基因型与亚硝化侏儒菌属（Nitriosopumilus）亲缘关系最近，该生物种群的微生物具有氨氧化性质。c、反硝化作用分布区主要为红旗渠北部、邵家屯、彪涧村、北务村、士昌屯、马投涧村等地附近区域。氨氧化古菌在西曲阳、谷驼村、彪涧村等。由于水体氨氧化不仅消耗了水中的溶解氧，而且形成的亚硝酸盐是极具毒性的，因此饮用氮污染水体会给人类健康和生态环境的可持续发展带来负面的影响。